Lição de física "medindo o comprimento de uma onda de luz usando uma grade de difração". Medindo o comprimento de onda da luz com uma grade de difração
Laboratório nº 6
"Medir o comprimento de uma onda de luz com uma grade de difração"
Belyan LF,
Professor de física
MBOU "Escola Secundária No. 46"
cidade de Bratsk
Objetivo do trabalho:
Continue a formação de ideias sobre o fenômeno da difração.
Aprenda a determinar o comprimento de uma onda de luz usando uma grade de difração com um período conhecido.
k=-3 k=-2 k=-1 k=0 k=1 k=2 k=3
Equipamento:
1. Régua
2. Grade de difração
3. Tela com um slot vertical estreito no meio
4. Fonte de luz - laser (fonte de luz monocromática)
grade de difração
A grade de difração é um conjunto um grande número fendas muito estreitas separadas por fendas opacas.
a - a largura das listras transparentes
b - largura de listras opacas
d = a + b
d- período de grade
Derivação da fórmula de trabalho:
Máximo
Sveta
a
treliça
Tela
d pecado φ = k λ
porque os ângulos são pequenos
pecado φ = tg φ , então
tabela de medidas
Ordem do espectro
V
a
m
d
m
m
10 -9 m
qua
10 -9 m
CÁLCULOS:
1 . =
2. =
3. =
cf =
Valores da tabela:
λ kr = 760 milhas náuticas
Na saída, compare os valores medidos do comprimento de onda e os tabulares.
Perguntas de controle:
1. Como a distância entre os máximos do padrão de difração muda conforme a tela se afasta da grade?
2. Quantas ordens do espectro podem ser obtidas a partir das grades de difração utilizadas na obra?
RECURSOS:
Física. Grau 11. Myakishev G.Ya., Bukhovtsev B.B., Charugin V.M.
Livro didático para instituições de ensino.
Níveis básicos e de perfil.
http://ege-study.ru/difrakciya-sveta/
http://kaf-fiz-1586.narod.ru/11bf/dop_uchebnik/in_dif.htm
http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/chapter3/section/paragraph10/theory.html#.WGEjg1WLTIU
Instituição de Ensino do Estado Federal
educação profissional superior
"Universidade Federal da Sibéria"
Instituto de Planeamento, Gestão e Economia Regional do Urbanismo
Departamento de Física
Relatório de laboratório
Medindo o comprimento de onda da luz com uma grade de difração
Professor
V. S. Ivanova
Aluno PE 07-04
K.N. Dubinskaya
Krasnoyarsk 2009
Objetivo do trabalho
Estudo da difração da luz em uma grade unidimensional, medição do comprimento de onda da luz.
Breve introdução teórica
Uma grade de difração unidimensional é uma série de ranhuras paralelas transparentes da mesma largura a, separadas por lacunas opacas iguais b. A soma dos tamanhos das áreas transparentes e opacas é geralmente chamada de período ou constante de rede d.
O período de grade está relacionado ao número de linhas por milímetro n pela relação
O número total de golpes de rede N é
onde l é a largura da grade.
O padrão de difração na grade é definido como o resultado da interferência mútua de ondas provenientes de todos os N slots, ou seja, a grade de difração realiza interferência multipercurso de feixes de luz difratados coerentes provenientes de todas as fendas.
Deixe um feixe paralelo de luz monocromática com um comprimento de onda incidir na grade. Atrás da grade, como resultado da difração, os raios se propagarão em diferentes direções. Como os slots estão à mesma distância entre si, as diferenças de caminho ∆ dos raios secundários formados de acordo com o princípio de Huygens-Fresnel e vindos de slots vizinhos na mesma direção serão os mesmos em todo o array e iguais a
Se essa diferença de caminho for um múltiplo de um número inteiro de comprimentos de onda, ou seja,
então os máximos principais aparecerão durante a interferência no plano focal da lente. Aqui m = 0,1,2, … é a ordem dos máximos principais.
Os máximos principais estão localizados simetricamente em relação ao centro, ou zero, com m = 0, correspondendo aos raios de luz que passaram pela grade sem desvio (não difratados, = 0). A igualdade (2) é chamada de condição de máximos principais na rede. Cada fenda também forma seu próprio padrão de difração. Nas direções em que uma fenda produz mínimos, também serão observados mínimos de outras fendas. Esses mínimos são determinados pela condição
A posição dos máximos principais depende do comprimento de onda λ. Portanto, ao passar pela rede luz branca todos os máximos, exceto o central (m = 0), se decomporão em um espectro, cuja parte violeta será voltada para o centro do padrão de difração e a parte vermelha ficará para fora. Esta propriedade de uma grade de difração é usada para estudar a composição espectral da luz, ou seja, uma grade de difração pode ser usada como um dispositivo espectral.
Vamos denotar a distância entre o meio do máximo zero e o máximo de 1,2, ... mésimas ordens, respectivamente, x 1 x 2 ... x t e a distância entre o plano da grade de difração e a tela - EU. Então o seno do ângulo de difração
Usando a última relação, a partir da condição dos máximos principais, pode-se determinar λ para qualquer linha do espectro.
A configuração experimental contém:
S - fonte de luz, CL - lente do colimador, S - fenda para limitar o tamanho do feixe de luz, PL - lente de foco, DR - grade de difração com período d = 0,01 mm, E - tela para observar o padrão de difração. Filtros de luz são usados para trabalhar em luz monocromática.
ordem de trabalho
Vamos organizar as peças de instalação ao longo de 1 eixo na ordem indicada, fixe uma folha de papel na tela.
Ligue a fonte de luz S. Instale um filtro de cor branca.
Medimos a distância L da grade até a tela com uma régua presa à instalação.
L 1 \u003d 13,5cm \u003d 0,135m, L 2 \u003d 20,5cm \u003d 0,205m.
Marcamos em um pedaço de papel os pontos médios do zero, primeiro e outros máximos à direita e à esquerda do centro. Com a máxima precisão, meça a distância x 1, x 2.
Calcule os comprimentos de onda transmitidos pelo filtro.
Encontre o valor médio aritmético do comprimento de onda usando a fórmula
Calcule o erro de medição absoluto pela fórmula
onde n é o número de mudanças, ɑ é o nível de confiança da medição, t ɑ (n) é o coeficiente de Student correspondente.
O resultado final é escrito como
Comparamos o comprimento de onda obtido com o valor teórico. Nós escrevemos a conclusão do trabalho.
Progresso
|
Pedido máximo |
X m à direita de 0 |
X m à esquerda de 0 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Filtro de luz - verde |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
5,3 * 10 -5 cm |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
5,7 * 10 -5 cm |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
6,9 * 10 -5 cm |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Laboratório nº 43 Seção 5óptica Tópico 5.2.Propriedades ondulatórias da luz Título do laboratório: Determinando o comprimento de onda da luz usando uma grade de difração Objetivo de aprendizagem: obter o espectro de difração, determinar os comprimentos de onda da luz cor diferente Objetivos de aprendizado: observe o padrão de interferência, obtenha espectros de primeira e segunda ordens, determine os limites visíveis do espectro de luz violeta e luz vermelha, calcule seus comprimentos de onda. Normas de segurança: regras para conduzir no escritório durante uma aula prática Norma de tempo: 2 horas Resultados educacionais declarados na terceira geração dos Padrões Educacionais do Estado Federal: O aluno deve ser capaz de: medir o comprimento de onda da luz, tirar conclusões com base em dados experimentais saber: arranjo de grade de difração, período de grade, condições para a formação de máximos Segurança da aula Diretrizes para trabalho de laboratório Caderno de laboratório, lápis, régua, instrumento para determinar o comprimento de onda da luz, suporte para instrumentos, grade de difração, fonte de luz. A ordem da aula: trabalho individual Justificativa teórica Um feixe paralelo de luz, passando por uma grade de difração, devido à difração atrás da grade, se propaga em todas as direções possíveis e interfere. Um padrão de interferência pode ser observado em uma tela colocada no caminho da luz interferente. Os máximos de luz são observados nos pontos da tela. Para o qual a condição é satisfeita: = n (1) - a diferença no curso das ondas; é o comprimento da onda de luz, n é o número do máximo. O máximo central é chamado de zero: para ele = 0. À esquerda e à direita dele estão os máximos de ordens superiores. A condição de ocorrência máxima (1) pode ser escrita de forma diferente: n = dPecado Imagem 1 Aqui d é o período da grade de difração, é o ângulo no qual a máximo de luz (ângulo de difração). Como os ângulos de difração são pequenos, então para eles podemos tomar Sin = tg e tg = a/b Figura 1, portanto n = dA/b (2) Esta fórmula é usada para determinar o comprimento de onda da luz. Como resultado das medições, verificou-se que para luz vermelha λcr = 8 10-7 m, e para violeta - λf = 4 10-7 m. Não existem cores na natureza, existem apenas ondas de diferentes comprimentos de onda. Uma análise da fórmula (1) mostra que a posição dos máximos de luz depende do comprimento de onda da luz monocromática: quanto maior o comprimento de onda. Quanto mais longe o máximo estiver de zero. A luz branca é complexa. Zero máximo para ele - listra branca, e os máximos de ordem superior são um conjunto de cores bandas, cuja totalidade é chamada de espectro e Figura 2
Figura 2 O dispositivo consiste em uma barra com escala 1, uma haste 2, um parafuso 3 (a barra pode ser ajustada em diferentes ângulos). O controle deslizante 4 com tela 5 pode ser movido ao longo da barra nas ranhuras laterais. Uma moldura 6 é fixada na extremidade da barra, na qual uma grade de difração é inserida, Figura 3
Figura 4
Figura 3 grade de difração
grade de difração decompõe a luz em um espectro e permite determinar com precisão os comprimentos de onda das ondas de luz
Figura 5 ordem de trabalho Monte a instalação, figura 6 Instale uma fonte de luz, ligue-a. Olhando através da grade de difração, aponte o dispositivo para a lâmpada de modo que o filamento da lâmpada fique visível através da janela da tela do dispositivo Instale a tela na maior distância possível da grade de difração. Meça a distância "b" da tela do dispositivo até a grade de difração na escala da barra. Determine a distância da divisão zero (0) da escala da tela até o meio da faixa roxa à esquerda “a l” e à direita “a p” para a ordem dos espectros , Figura 4 e calcule o valor médio, e cf Repita o experimento com o espectro de ordem . Realize as mesmas medições para as bandas vermelhas do espectro de difração. Calcule pela fórmula (2) o comprimento de onda da luz violeta para os espectros de ordens e , o comprimento de onda da luz vermelha ordens e . Registre os resultados das medições e cálculos na tabela 1 Chegar a uma conclusão Tabela 1
Perguntas para consolidação material teórico para o laboratório Por que o máximo zero do espectro de difração da luz branca é uma banda branca e o máximo de ordens superiores é um conjunto de bandas coloridas? Por que os máximos estão localizados tanto à esquerda quanto à direita do máximo zero? Em que pontos da tela são obtidos os máximos , , ? Qual é a forma do padrão de interferência no caso da luz monocromática? Em que pontos da tela o mínimo de luz é obtido? Qual é a diferença no caminho da radiação da luz (= 0,49 μm), que dá o 2º máximo no espectro de difração? Determine a frequência dessa radiação Grade de difração e seus parâmetros. Definições de interferência e difração de luz. Condições para luz máxima de uma grade de difração. No final trabalho prático o aluno deverá apresentar:- Trabalho realizado em caderno de laboratório de acordo com os requisitos acima. V. F. Dmitrieva Física para profissões e especialidades de perfil técnico M .: ID Academy - 2016 R. A. Dondukova Manual para realização de trabalhos de laboratório em física para SPO M .: Escola Superior, 2000 Trabalho de laboratório em física com perguntas e tarefas O. M. Tarasov M.: FORUM-INFA-M, 2015 grade de difração Objetivo do trabalho Usando uma grade de difração, obtenha um espectro, estude-o. Determine o comprimento de onda dos raios violeta, verde e vermelho Parte teórica do trabalho Um feixe paralelo de luz, passando por uma grade de difração, devido à difração atrás da grade, se propaga em todas as direções possíveis e interfere. Um padrão de interferência pode ser observado em uma tela colocada no caminho da luz interferente. No ponto O da tela colocada atrás das barras, a diferença no caminho dos raios de qualquer cor será igual a zero, aqui haverá um máximo zero central - uma faixa branca. No ponto da tela, para o qual a diferença de caminho dos raios violetas será igual ao comprimento de onda desses raios, os raios terão as mesmas fases; haverá um máximo - uma faixa roxa - F. No ponto da tela, para o qual a diferença no caminho dos raios vermelhos será igual ao seu comprimento de onda, haverá um máximo para os raios de luz vermelha - K. Entre os pontos F e K haverá máximos de todos os outros componentes cor branca em ordem crescente de comprimento de onda. Um espectro de difração é formado. Imediatamente atrás do primeiro espectro está o espectro de segunda ordem. O comprimento de onda pode ser determinado pela fórmula: Onde λ é o comprimento de onda, m φ é o ângulo no qual o máximo é observado para um determinado comprimento de onda, d é o período da grade de difração d = 10 -5 m, k é a ordem do espectro. Como os ângulos nos quais os máximos de primeira e segunda ordem são observados não excedem 5 0, é possível usar suas tangentes em vez dos senos dos ângulos:
onde a é a distância do centro da janela até o meio dos raios do espectro, m; ℓ - distância da grade de difração até a tela, m Então o comprimento de onda pode ser determinado pela fórmula: Equipamento Um dispositivo para determinar o comprimento de uma onda de luz, uma grade de difração, uma lâmpada incandescente. Progresso 1. Instale a tela a uma distância de 40-50 cm da grade (ℓ). 2. Olhando através da grade e da fenda na tela para a fonte de luz, certifique-se de que os espectros de difração sejam claramente visíveis em ambos os lados da fenda. 3. Na escala da tela, determine a distância do centro da janela até o meio dos raios violeta, verde e vermelho (a), calcule o comprimento de onda da luz pela fórmula: , 4. Mudando a distância da grade à tela (ℓ), repita o experimento para o espectro de segunda ordem para raios da mesma cor. 5. Encontre o comprimento de onda médio para cada um dos raios monocromáticos e compare com os dados tabulares. Tabela Valores de comprimento de onda para algumas cores do espectro Tabela Resultados de medições e cálculos Informática 1. Para o espectro de primeira ordem: k=1 , d= , ℓ 1 = a f1 = , a h1 = , e kr1 = Comprimento de onda para o espectro de primeira ordem: - roxo: , λf1 = - Cor verde: , λ c1 = - Vermelho: 2. Para o espectro de segunda ordem: k=2 , d= , ℓ 2 = a φ2 = , a z2 = , e kr2 = Comprimento de onda para o espectro de segunda ordem: - roxo: - Cor verde: , λ z2 = - Vermelho: 3. Valor médio dos comprimentos de onda: - roxo: - Cor verde: , λsav = - Vermelho: Conclusão Registrar respostas para perguntas frases completas 1. O que é chamado de difração de luz? 2. O que é chamado de grade de difração? 3. O que é chamado de período de rede? 4. Escreva a fórmula do período de rede e comente sobre ela Lição-estudo
Mesa de autocontrole
teste Lição-estudo sobre o tema "Determinação do comprimento de onda da luz" Mesa de autocontroleF. I. aluno ___________________________
teste
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
, λcr1 =
, λf2 =
, λcr2 =
, λ fsr =
, λ rsr =
